基于物联网的旧衣物回收系统的研究

刘宇昂，翟娟，刘雅棋，徐敏

（扬州大学广陵学院，江苏 扬州 225000）

0 引言

目前国内对于环境的保护相当的重视，旧衣物的处理成为了一个大大的难点，目前的平台捐赠出现了不方便、信息不公开、不普及等问题，将物联网与旧衣物的收集结合起来是目前国内尚未实行的办法，既可以让各大纺织厂得到更多的经过明确分类的材料进行回收处理降低了材料的成本，使企业获得更大的利润，同时也更加完善了旧衣物的捐赠系统将更多干净的衣物更有效的运送到贫困地区的需要的人手中，最主要的是对垃圾的分类起到了很大的作用将分拣后不可再生的衣物进行分类后运送至环保企业进行绿色降解，避免对大气、土壤和地下水污染。本文研究的目的是利用AT89S52单片机作为核心，采用光电传感器对衣物的发霉变质程度进行检测，将发霉的衣服与正常衣物进行分开，发霉的衣物进入处理箱进行回收，正常的衣服落入捐赠箱进行清洁消毒，在通过湿度传感器实时监测回收箱里的湿度以免衣服发霉，在两个箱子的底部加入重力传感器通过LCD显示器显示箱子中衣物的多少，在装满衣物后指示灯变红，再将数据传输至物联网通过手机app发送信息给相关的人员进行回收处理，将衣物的回收捐赠路径更加的透明化、信息化。

1 系统的组成框架

该系统由（如图1）单片机、衣物湿度传感器、重力传感器模块、光电传感器模块、LCD显示模块、继电器模块、杀菌模块、wifi模块，WiFi模块我们采用嵌入式UART-WiFi模块HLK-M35该模块可以实现回收箱和手机app之间的交互通过对回收箱里各种数据的监测实时传输给手机app，该系统主要是用于让用户可以通过wifi的方式实时方便的了解回收箱里的信息（传感器检测到的温湿度、发霉衣物数量、衣物的重量等）；二是设备控制功能，用户打开app 点击操作就可以实现对设备的通断电、控制LCD显示屏、以及对杀菌模块自主杀菌的控制、还可以对回收箱里的温湿度进行改变，同时可以将检测数据上传至物联网使以后的检测更加精准。

图1 硬件结构框图

2 系统的硬件设计

2.1 主控模块

因为我们设备所需要模块的性能我们选择AT89S52单片机作为主控单元，AT89S52是高性能的CMOS8位微控制器并且内部拥有8K可编程 Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。单片机系统通过各传感器给出的信息，及时将接受到的信息进行处理并将结果再传送到各个端口，实现既定的控制功能，以满足所需性能指标。AT89S52的具体功能如下：

（1）8位的CPU，片内有晶振和时钟电路，工作频率为0～24MHZ；（2）片内有256字节数据存储器RAM；（3）片内有8K字程序存储器ROM；（4）4个八位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3）；（5）1个全双工串行通讯口；（6）拥有3个16位定时器/计数器（T0、T1、T2）；（7）可处理6个中断源，两集中断优先级。

AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，有节电模式可供两种软件选择。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。所以单片机的各项数据满足回收箱所使用的要求。

2.2 反射式光电传感器电路

该回收箱系统用的ST188反射式红外光电传感器，ST188反射式红外光电传感器采用发射功率高的红外光电二极管还有灵敏度高的光电晶体管一同组成，通过对衣服上反光霉点的多少大致判断出衣物发霉变质的程度，判断出黑点所占面积多的发霉严重的衣服就被分入处理箱，具体流程图如图2。

图2 硬件系统工作流程

根据反射式红外光电传感器的原理和内部结构，我们可以设计上面的电路，

电阻在其中主要起限流作用。这样红外射线反射被接收管收到，红外接收头收到信号导通，E管脚输出高电平，接近Vcc；如果没有接收到反射回来的红外线，红外接收头则不导通，E管脚输出低电平，接GND。

在回收箱的实际应用中我们可以采用键盘扫描管角的方式来进行确定其输出的电平高低。

图3 ST188电路图

2.3 温湿度检测电路

在回收箱中对温湿度监测的模块我们采用的是DH11温湿度传感器，DHT11温湿度传感器可以用来测量回收箱内的衣物所处环境的相对湿度与温度，根据相对的湿度和温度来判断衣物的大致环境和情况，通过数字输出方式，具有信号传输距离长且功耗不是特别高的特点。该传感器利用了单片机的单总线通信协议，与STC89C52单片机之间的数据交换由此单总线完成。单总线外通常接一个4.7kΩ的上拉电阻，与单片机相应端口连接，上拉电阻在总线为空闲时将它拉倒高电平。

图4 DH11温湿度传感器电路图

2.4 压力传感模块电路

压力传感模块主要用于测量回收箱中衣物的多少所以该模块我们采用一个组装式的电子秤来进行工作，当电子秤达到最大量程时继电器关闭设备箱的大门，电子秤的工作原理：通过对回收箱内衣物重量的检测接受相应的压力电信号。输出的电压信号通常不是很大并不好直接测量，所以我们需要讲过A/D放大电路处理过后将放大的电压信号传输到单片机中，再经过单片机接收到电压信号从而控制译码所对应的显示器，从而显示出被测量的衣服的重量。在回收箱中，为了减少外界环境对数据精度产生的影响，需要在A/D芯片和所对应的传感器之间加入调整电路。前端信号在进行处理时，选用放大还有A/D转换的措施，然后在显示数据的方面最好选择LCD显示器能更好的表达回收箱中的数据。这样加强了使用者和回收箱之间的联系，而且满足设计要求。然后LCD显示屏接收到之前经过我们一系列放大处理过之后的信号之后显示出来，现实方案原理图如下所示：

图5 A/D放大电路结构图

在所用到的传感器部分我们选用电阻应变式传感器，电阻应变式传感器利用受到外界力量影响时发生一定的机械变形其阻值发生了变化产生的力学信号变为了相应的可以被接收的电信号。我们称它这种原理为基于材料的“应变效应”，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。在衣物测量中我们需要用到测量精度比较高的传感器因此我们使用的是L-PSIII型传感器它的使用精度为0.01%，满量程时误差±0.002Kg，具有量程20Kg，满足回收箱所需的精度要求。

前级放大器部分放大器的输入信号通常是由传感器输出的。传感器的输出信号有电平低且内阻高的特点，通常还伴有比较高的共模电压。所以我们对相应的放大器有如下几个要求：

（1）信号源内阻应该远远小于输入阻抗。不然放大器所测电压会有一定的差距；（2）因为共模电压较高，因此需要较高的抗共模电压干扰的能力；（3）必须满足并保证放大器所具有的输出性能的稳定性；（4）可以将满足上述要求的电路作为附加电路。

综合上面的分析在AD转换器方面我们最好选择双积分型的AD转换器。双积分型A/D是一种间接型A/D转换器，输入未知电压时双积分型的AD转换器会对输入的电压进行积分和返积分两次测量让计数值更加的精准，则输入电压与电压积分时间成正比。输入电压越大，反向积分的时间就相应的越长。用高频率时钟脉冲来测量标准电压积分时间，即可得到输入电压对应的数字代码。作为对回收箱中衣服进行测量的系统，系统对AD的转换速度并没有太大的要求，14位精度的AD就可以满足其要求。在抗干扰方面双积分型的A/D转换器也非常的出色，差分输入也十分精确。在分析了以上数据后综合回收箱里的具体情况，最终我们选择了精度较高的ICL7135。

图6 信号滤波放大图

2.5 无线数据传输设计

我们利用无线WiFi模块实现数据的传输，通过筛选我们最终选择用海凌科电子公司的嵌入式UART-WiFi模块 HLK-M35。该模块的特点介绍如下：①体积很小便于安装，大小只有25mm×18mm×3mm；②支持802.11 b/g/n协议支持WIFI加密方式WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK/TKIP/AES等；③在单片机上可以连接普通的串口使用，不用下载任何驱动；④局域网内它也支持搜寻网络协议进行查找该模块；⑤可以用 APP控制模块连接普通无线路由器。

通过以上的特点我们可以得出该模块十分有利于在回收箱上进行安装，且具有更广泛的功能和更长的寿命和更便于安装的体积。我们将HLK-M35作为AP热点方便手机app与其直接相连从而进行控制。

单片机收发端相应的串口交叉连接HLK-M35模块的RX及TX端。

2.6 杀菌模块和LCD显示

该模块主要接受重力传感模块和温湿传感模块的数据由喷淋电路、杀菌箱组成，对重力传感模块达到最大量程时，继电器打开捐赠箱上方的杀菌箱投放其中的樟脑丸，喷淋电路包括继电器与喷淋检测到樟脑丸投放后喷洒消毒液，通过温湿传感器传来的数据由喷淋电路来改变箱内的湿度，箱内的内壁采用隔热材料制作防止箱内温度过高，利用温湿传感器将衣物回收箱中的温度控制在<30℃、相对湿度控制在<80%，从而保证衣服在回收箱中不管遇到任何环境因素都不会发霉变质。

图7 喷淋电路原理图

我们选用的LCD液晶显示屏以其体积小、功耗低、且显示功能齐全的特点被我们所接受，在我们所设计的旧衣物回收箱上可以起到非常不错的作用。系统运行时，只要向LCD输出相应的命令它就会显示出相应的数据 。LCD的引脚图如下图：

图8 LCD的引脚图

3 系统软件设计

该智能系统分为光电感应信息采集功能、温湿度信息采集功能、压力电子秤、信息采集功能、lcd显示功能、按键切换功能，光电感应信息采集功能：回收箱采用衣服单件放入，通过光电传感器照射，反射霉菌多的认定为发霉的衣物掉入处理箱，霉菌很少或者没有的就掉入捐赠箱进行消毒处理，同时也能判断衣物的数量。温湿度采集功能:对温湿度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示，然后根据湿度值的大小确定是否进行加湿和消毒动作。LCD显示:向LCD送温度、湿度、压力、衣服数量等数据，经过单片机的分析，进行相应的数据显示。压力电子秤信息采集功能：对放入回收箱中的衣服进行称重，在达到之前设定的最大量程后继电器停止对新来衣物的接收并且LED上显示FULL。在回收箱上的按键切换功能：使用芯片ZLG7289它与微处理器的通讯方式我们选择了串行通讯的方式,将数据通过对应的数据引脚串行输入芯片，将其和对应的时钟端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入ZLG7289的缓冲寄存器。电路图如下图：

图9 键盘控制电路图

单片机系统通过对芯片连接单片机的引脚进行键盘式的检测方式，当单片机系统监测到有低电平产生后ZLG7289便会检测到系统有按键按下同时将数据发送给单片机进行处理，查询法和中断法通常为单片机进行扫面处理的两种方式。查询的方式消耗的时间太多占用了单片机很多不必要的空间，所以我们采用的是中断的方式。键盘控制这个模块主要是用来方便管理者对回收箱可以进行手动的调整和改进，同时在wifi模块失灵的情况下也可以控制回收箱进行自己的功能然后通过键盘切换你想知道的各种箱内的信息并设定合适的数据，以及对回收箱内的响应功能数据进行改变，当然这些也可在手机app上进行操作。主设备运行的主流程图如下：

图10 主设备运行流程图

本文采用安卓系统手机作为上位机，开发的手机APP具备三种功能：建立与服务器连接，在手机界面查看回收箱内衣服数量、温度、湿度等信息，同时通过对app的控制也能完成对设备电力的通断从而一定的达到节能的目的，同时app会分为用户端和管理端方便对回收箱的运作一起监控进行合理的分配管理。

首先我们利用Photoshop来进行对手机app的用户界面的设计，采用Java软件对app与单片机WiFi无线模块间的链接进行编程设计，从而实现app与回收箱之间的联系。

4 系统的实现

该项目我们使用Proteus绘制该智能系统的电路原理图，在 Keil C软件进行相关主要的程序编程以及程序的测试，用Java制作手机app等，从而确定系统设计的各项功能。

控制系统的功能接通电源后，通过键盘输入指定的密码系统开始运作，等到LCD显示full时管理者端会收到相应的打开密码输入取出的密码取出里面的衣服将用于捐赠的衣服送到有需要的地区，并且将用于回收处理的衣服运送到相应的企业进行处理。单片机也会将收集到的信息通过手机app实时传到物联网上，能让我们更好的对衣物进行分类处理。

5 设计的服务理念

在我们现在告诉发展的日常中生活垃圾的处理被越来越多人所重视而在这其中衣服的回收和再利用成为了人们日常生活中一个不可或缺的烦恼，由于现在我国现有的很多旧衣回收捐赠系统并不完善且并不普及导致很多人对旧衣物的处理问题十分头疼，因此本文的设计通过对现有物联网技术的运用通过与手机app这种现代人所能接受的方式相结合使更多的人更能找到一条有效且环保的处理自己不需要的衣物的道路同时单片机结合传感器的设计理念让该设备在实际运用中的投入并不高并且和物联网的结合也更符合现在大数据背景下的科技理念让信息的收集更加的方便、透明化、公开化，本文中的设计同时也十分的人性化，在许多的现有小区或学校的门口都可以设立相应的回收箱，在它消耗不大能源的同时可以让人们很好的注意到它并且利用的，不用让人们花大量的时间去了解他，操作也十分的方便，产品可以由环保企业来进行经营，将控制的权限和用户的权限分开，这样普通的用户只能查询到回收箱中的状态，而管理者可以将其关闭或者开启和关闭它的消毒清洁的功能，能使人更加的放心，并且也提供了相应的岗位给需要的人，不能用来捐赠的衣物也能运送给环保企业来进行回收再利用，或者分类给环保厂进行降解处理，既增加了环保企业的产值由对环境也起到了一定的保护作用，产品的不足之处也能在实践的过程中不断地改善，对衣服进行分类处理的数据上传到互联网也能让更多人了解衣服分类的特点以及回收的去向也给未来更环保更加快捷的旧物回收处理捐赠提供了数据的保障。

6 设备投入市场的概想

将该设备投入进入市场和对于如何将该设备更利于被人们接收投入使用并运用于市场我们将这个计划分为以下部分：①与相应的环保企业或公益组织取得联系对衣物匮乏的地区或是需要回收处理衣物的回收厂进行统计将数据统计进入app中，更方便后期衣物的运送和处理；②通过微信公众号的方式或者抖音平台对该设计进行宣传，让更多的人了解设计的运用理念也提高了人们对于旧衣物回收的积极性，以及对于环保意识的提升；③了解市场的需求先进行小规模的投放根据用户反映的数据和感想对设备的数据处理功能进行进一步的完善和提高，然后在进行更大规模的投放以此收集来的数据不仅可以完善app平台上传到互联网上的数据，同时机器接收数据后也能让我们将它更新的更为完善和方便让人们更能容易的去接受它。

7 结论

本文设计了一种基于单片机与物联网的智能WiFi衣物回收系统，依据单片机为主控系统的本设计在供电方面十分的节能符合了当代新能源背景下节约资源的理念该产品的运用群体主要是给公益群体使用，也能让更多的人知道如何合理的去处理自己的旧衣物，让旧衣服有地方可去，这样的分类既促进了环保事业的发展，同时也为就衣的回收再利用行业提供了一个新的途径。为以后更加先进的旧物回收处理系统打下了基础，也让更多的人了解到旧衣回收的重要性。